创建型模式之单例模式

最新推荐文章于 2022-02-28 23:15:54 发布

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本文详细介绍了单例模式的概念和重要性，包括饿汉式、懒汉式、双重检锁、静态内部类和枚举等五种实现方式的优缺点。同时，讨论了单例模式在Java中的应用，如`java.lang.Runtime`，以及在系统资源管理和多线程环境中的注意事项。

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1. 单例模式介绍

概念：所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。
比如 Hibernate 的 SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够，这是就会使用到单例模式。

2. 单例设计模式八种方式

主要分为五类，如下：

1) 饿汉式(静态常量)
2) 饿汉式（静态代码块）
3) 懒汉式(线程不安全)
4) 懒汉式(线程安全，同步方法)
5) 懒汉式(线程不安全，同步代码块)
6) 双重检锁
7) 静态内部类
8) 枚举

3. 饿汉式

3.1 饿汉式（静态常量）

步骤：

构造器私有化 (防止 new )
类的内部创建对象
向外暴露一个静态的公共方法。getInstance()

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {

    //本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    //构造器私有化, 使外部不能 new
    private Singleton(){

    }

    //提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

优点和缺点说明：

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费

结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

3.2 饿汉式（静态代码块）

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {

    //本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    //构造器私有化, 使外部不能 new
    private Singleton(){

    }

    // 在静态代码块中，创建单例对象
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

优点和缺点说明：

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

总结：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

4. 懒汉式

4.1 懒汉式(线程不安全)

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {

    //本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    //构造器私有化, 使外部不能 new
    private Singleton(){

    }

    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance(懒汉式)
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。
如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式

结论：在实际开发中，不要使用这种方式

4.2 懒汉式(线程安全，同步方法)

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {

    //本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    //构造器私有化, 使外部不能 new
    private Singleton(){

    }

    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    public synchronized static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

解决了线程安全问题
效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了。方法进行同步效率太低

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

4.3 懒汉式(线程不安全，同步代码块)

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {

    //本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    //构造器私有化, 使外部不能 new
    private Singleton(){

    }

    public  static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized(Singleton.class) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低，改为同步产生实例化的的代码块
但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例

结论：在实际开发中，不能使用这种方式

5. 双重检锁

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {

    //本类内部创建对象实例(volatile 避免指令重排序问题)
    private static volatile Singleton instance;

    //构造器私有化, 使外部不能 new
    private Singleton(){

    }

    //提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
    public  static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized(Singleton.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次 if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。
这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null)，直接 return 实例化对象，也避免的反复进行方法同步.
线程安全；延迟加载；效率较高

结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

6. 静态内部类

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {

    //构造器私有化, 使外部不能 new
    private Singleton(){

    }

    //写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton
    private static class SingletonInstance {
        public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个静态的公有方法，直接返回 SingletonInstance.INSTANCE
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

优缺点说明：

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。
类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。

结论：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高，推荐使用

7. 枚举

package com.study;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
        instance.sayOK();
    }
}

//使用枚举，可以实现单例, 推荐
enum Singleton {

    INSTANCE; //属性

    public void sayOK() {
        System.out.println("ok~");
    }

}

优缺点说明：

这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式

结论：推荐使用

8. 单例在`JDK`中的应用

java.lang.Runtime 就是经典的单例模式(饿汉式)

9. 单例模式注意事项和细节说明

单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能
当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new
单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)